真空焊箱自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙輝+李楠+常領(lǐng)

摘 要：DP主站和DP從站之間通過(guò)DP通訊模式進(jìn)行數(shù)據(jù)之間的交換（見(jiàn)圖2），DP主站和DP從站用專(zhuān)用的DP通訊電纜連接，每個(gè)DP從站在西門(mén)子STEP75.5里有專(zhuān)用的GSD文件相對(duì)應(yīng)。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線；PFOFIBUS-DP；分布式；PLC；自動(dòng)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）28-0121-02

現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)前國(guó)際上自動(dòng)化控制現(xiàn)場(chǎng)中最常用的控制方式，現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)帶給了工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的又一次革命。以分布式控制為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）將逐步取代傳統(tǒng)的智能儀表控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）。

現(xiàn)場(chǎng)總線目前是國(guó)際上具有較大影響的總線標(biāo)準(zhǔn)之一，它在1989年成為德國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245，隨后不久又成為歐洲現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)EN50170，市場(chǎng)份額占?xì)W洲首位。

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（PROFIBUS-DP）是工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)數(shù)字信息化、控制系統(tǒng)集散性、開(kāi)放性高、交互性強(qiáng)的新一代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)模式，是現(xiàn)場(chǎng)信息的數(shù)字化、控制過(guò)程的智能化、現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)化?，F(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)工業(yè)由于集中控制造成的成本高昂、現(xiàn)場(chǎng)線纜復(fù)雜數(shù)量大的缺點(diǎn)，優(yōu)化了控制，精簡(jiǎn)了現(xiàn)場(chǎng)大量的線纜，分散的控制模式，使得每一個(gè)控制單元獨(dú)立形成各自分布控制，每個(gè)單元出現(xiàn)問(wèn)題不影響整個(gè)設(shè)備的正常運(yùn)行，提高了生產(chǎn)效率，方便了設(shè)備后期維護(hù)，減少了現(xiàn)場(chǎng)工程師的工作量。采用現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊模式，提高了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的傳輸精度和抗干擾能力，從而使得到的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、直觀、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，對(duì)工藝人員了解工藝情況，改進(jìn)配方，提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

真空等離子焊箱的主要工作原理：首先要對(duì)爐室抽真空，爐室壓力小于10Pa時(shí)，充入氬氣，控制爐室壓力上升到4000～7000Pa，在焊槍中通入氬氣，控制焊槍自身高頻起弧，起弧后焊槍周?chē)臍鍤獗浑婋x，形成等離子體，此時(shí)邏輯控制將焊接電源切換以焊槍為負(fù)極，夾具和夾持在夾具上的電極塊為正極，電極塊在等離子弧的加熱下被熔化焊接。通過(guò)夾具的旋轉(zhuǎn)和平移，使不同電極塊之間的焊縫牢固的焊接在一起，形成真空自耗電弧爐用的自耗電極。

1 真空等離子焊箱自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 真空等離子焊箱自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能要求

真空等離子焊箱自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象包括各級(jí)真空泵、真空閥門(mén)、水泵、用于控制焊槍上下移動(dòng)的全數(shù)字交流伺服裝置、用于工件平移和旋轉(zhuǎn)的全數(shù)字交流伺服裝置、充氬閥門(mén)、焊接電源、各類(lèi)檢測(cè)信號(hào)等。根據(jù)控制系統(tǒng)被控對(duì)象的需要，整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下各條表述功能：

（1）控制數(shù)據(jù)的采集和處理功能；

（2）運(yùn)行監(jiān)控與報(bào)警記錄功能；

（3）生產(chǎn)過(guò)程中的安全控制功能；

（4）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)記錄和運(yùn)行數(shù)據(jù)生成報(bào)表的打印功能；

（5）過(guò)程數(shù)據(jù)連鎖報(bào)警功能；

（6）控制系統(tǒng)的擴(kuò)展功能，具有網(wǎng)絡(luò)通信接口。

1.2 硬件構(gòu)成

根據(jù)真空等離子焊箱自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求，下面對(duì)各組成部分作具體說(shuō)明。

DP主站和DP從站之間通過(guò)DP通訊模式進(jìn)行數(shù)據(jù)之間的交換（見(jiàn)圖2），DP主站和DP從站用專(zhuān)用的DP通訊電纜連接，每個(gè)DP從站在西門(mén)子STEP75.5里有專(zhuān)用的GSD文件相對(duì)應(yīng)。

（1）主站

一級(jí)控制主站采用西門(mén)子公司S7-300系列的CPU 315-2DP PLC作為中央控制單元，由其采集、運(yùn)行、處理整個(gè)控制程序，且實(shí)現(xiàn)和其他各個(gè)分站間的信息交換。

二級(jí)主站組態(tài)系統(tǒng)由HP工作站來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面，通過(guò)以太網(wǎng)與S7-300 PLC的以太網(wǎng)控制模塊CP343 TCP/IP網(wǎng)口連接，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工程師通過(guò)STEP7 5.5編程軟件對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)、編程；工廠操作人員只能對(duì)整個(gè)組態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行操作和監(jiān)控，但不能修改控制組態(tài)數(shù)據(jù)和STEP7系統(tǒng)程序。

（2）從站

從站（配置見(jiàn)圖3）1、2、4、5為西門(mén)子ET200M總線模塊；從站6為伺服電機(jī)總線模塊；從站8為旋轉(zhuǎn)伺服模塊；從站9為焊接電源總線模塊。它們的CPU與PLC的CPU并行工作，占用主機(jī)的時(shí)間、系統(tǒng)內(nèi)存較少，減少了PLC的掃描頻率和周期。

1.3 軟件方案

軟件部分包括：下位控制程序STEP75.5編程軟件和上位SIMATIC WinCCV7.2監(jiān)控軟件。

1.3.1 組態(tài)編程軟件

程序編制采用西門(mén)子SIMATIC S7-300的配套軟件包SETP7 V5.5完成工程的硬件組態(tài)、硬件系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、控制系統(tǒng)PLC程序編制、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試調(diào)試等。西門(mén)子公司的程序編制軟件SETP7運(yùn)行于Windows環(huán)境下，操作界面友好，組態(tài)編程非常方便，在線控制、調(diào)試直觀、便捷，有控制梯形圖（LAD）、狀態(tài)語(yǔ)句表（STL）和功能圖（FBD）、超文本編輯語(yǔ)言（SCL）四種編程方式可隨意切換和組合使用。硬件組態(tài)完成后，首先安裝從站廠家提供的硬件GSD驅(qū)動(dòng)軟件，進(jìn)行硬件和網(wǎng)絡(luò)配置，然后再編制PLC程序。程序由組織塊（OB），功能塊（FB、FC）和數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)用OB塊見(jiàn)圖4。

1.3.2 監(jiān)控軟件

為了提高系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性，故操作系統(tǒng)為Windows7專(zhuān)業(yè)版，監(jiān)控軟件采用SIMATIC WinCCV7.2。操作人員可在控制室實(shí)現(xiàn)集中控制，留有上位監(jiān)控接口。焊接過(guò)程通常采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，具有自動(dòng)觸底、自動(dòng)提升、自動(dòng)給定電流、電壓參數(shù)、自動(dòng)起弧、起弧后的弧壓自動(dòng)控制、運(yùn)行后的弧壓自動(dòng)跟蹤、自動(dòng)啟動(dòng)、停止真空泵組、自動(dòng)檢測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)、記錄反饋參數(shù)、打印工藝參數(shù)等功能，程序、組態(tài)系統(tǒng)設(shè)有冷卻水壓力、流量、溫度、壓縮空氣壓力、焊接電壓、電流、焊接真空度等工作報(bào)警及必要的程序聯(lián)鎖保護(hù)功能。endprint

人機(jī)界面采用中文顯示，主要包括以下窗口內(nèi)容：

（1）主畫(huà)面：顯示系統(tǒng)狀況，條目包括電源、真空系統(tǒng)以及關(guān)鍵的工藝參數(shù)變量（如電流、電壓、真空、電極桿位置、電極桿速度等）。

（2）真空畫(huà)面：包括部件狀態(tài)和用于抽空降壓初始階段的報(bào)警條件指示、開(kāi)閥的順序，以及建立焊接所需的真空條件。

（3）冷卻畫(huà)面：顯示水冷卻系統(tǒng)的狀況，實(shí)時(shí)顯示水流量值和測(cè)量的溫度值，以及安全裝置狀態(tài)，如流量和溫度開(kāi)關(guān)、水泵等。

（4）輔助冷卻系統(tǒng)畫(huà)面：（與上述c相似，顯示每個(gè)輔助水冷卻回路的溫度/流量報(bào)警狀態(tài)。）

（5）電源冷卻畫(huà)面：（與上述c相似，顯示電源柜閉環(huán)水系統(tǒng)回路的溫度、流量報(bào)警狀態(tài)。）

（6）氣動(dòng)、液壓系統(tǒng)畫(huà)面：顯示熔煉爐氣動(dòng)系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的情況。

（7）報(bào)警窗口：提供所有激活著的報(bào)警信息。

安全報(bào)警系統(tǒng)包括電源斷路器合閘、分閘狀態(tài)、運(yùn)行電機(jī)、泵組的供電狀態(tài)、接觸器的合分的操作條件、供輔設(shè)備的操作條件和故障條件；設(shè)備回路中的冷卻水的溫度、壓力、水流量異常；系統(tǒng)的真空度連鎖條件、電極桿上升、下降的限制條件、爐門(mén)的關(guān)合條件；設(shè)備所有氬氣的流量、壓力數(shù)據(jù)。

綜上所述條件，在焊接過(guò)程中出現(xiàn)下列情況下直接自動(dòng)采取切斷熔煉電源的措施：

（1）真空爐體內(nèi)的真空度未達(dá)到工藝設(shè)定值。

（2）冷卻循環(huán)水出口處水溫溫度過(guò)高、水壓、流量低于設(shè)定值。

（3）供電系統(tǒng)冷卻水回路中的水溫度過(guò)高、壓力過(guò)低。

（4）電源柜個(gè)支路故障。

（5）達(dá)到預(yù)先設(shè)定的工藝菜單要求切斷熔煉電源。

（6）電極桿到達(dá)下限位。

2 結(jié)束語(yǔ)

整個(gè)系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線的集散、分布式控制模式后，前期設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了圖紙數(shù)量，降低了中期電控系統(tǒng)的制作費(fèi)用，大大縮短了后期現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試時(shí)間，減少了現(xiàn)場(chǎng)工程師的工作強(qiáng)度，提高了后期生產(chǎn)效率。由于采用分布式、集散控制，每個(gè)單元作為獨(dú)立控制，相對(duì)于之前的統(tǒng)一控制，提高了穩(wěn)定性，其中若有單一單元出故障，也不會(huì)影響整個(gè)設(shè)備的正常運(yùn)行，統(tǒng)一控制，如有一處出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)控制系統(tǒng)就會(huì)停止工作，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)和使用。

隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在我國(guó)工業(yè)控制領(lǐng)域的普及和發(fā)展，各工業(yè)行業(yè)必然會(huì)逐步采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，而將來(lái)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)也必將為我國(guó)的工業(yè)控制做出巨大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陽(yáng)憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.endprint